Бензиновый двигатель: устройство, принцип действия, достоинства и недостатки

Чтобы автомобиль смог самостоятельно передвигаться, он должен быть оснащен силовым агрегатом, который будет генерировать крутящий момент и передавать эту силу на ведущие колеса. Для этой цели создатели механических средств разработали ДВС или двигатель внутреннего сгорания.

Принцип работы агрегата заключается в том, что в его конструкции происходит сгорание смеси топлива и воздуха. Мотор создан так, чтобы задействовать высвобождающуюся в этом процессе энергию для вращения колес.

Под капотом современного автомобиля может устанавливаться бензиновый, дизельный или электрический силовой агрегат. В данном обзоре мы сосредоточимся на бензиновой модификации: по какому принципу работает агрегат, какое у него устройство и некоторые практические рекомендации, как продлить ресурс ДВС.

Что такое бензиновый двигатель автомобиля

Вначале разберемся с терминологией. Бензиновый мотор это поршневой силовой агрегат, который работает за счет сгорания смеси воздуха и бензина в специально отведенных для этого полостях. В автомобиль может заливаться топливо с разным октановым числом (А92, А95, А98 и т.д.). Более подробно о том, что такое октановое число, рассказывается в другой статье. Там же рассказывается, почему для разных моторов может полагаться разная марка топлива, даже если это бензин.

В зависимости от того, какую цель преследует автопроизводитель, сходящий с конвейера транспорт может оснащаться разными типами силовых агрегатов. В списке причин и маркетинг компании (каждая новая машина должна получать какое-то обновление, и покупатели часто обращают внимание на тип силового агрегата), а также потребности основной аудитории.

Так, с завода автомобильного бренда может выходить одна и та же модель машины, но с разными бензиновыми движками. Например, это может быть экономичная версия, на которую чаще обращают внимание покупатели со скромным достатком. Или же производитель может предлагать более динамичные модификации, которые удовлетворяют запросы любителей быстрой езды.

Также некоторые автомобили должны быть способны перевозить приличные грузы, как например пикапы (в чем особенность этого типа кузова, читайте отдельно). Для этих автомобилей тоже полагается другой тип мотора. Обычно такая машина будет иметь внушительный рабочий объем агрегата (о том, как рассчитывается этот параметр, есть отдельный обзор).

Итак, бензиновые моторы дают возможность автобрендам создавать модели машин с разными техническими характеристиками, чтобы адаптировать их для разных потребностей, начиная от небольших ситикаров, и заканчивая габаритными грузовиками.

Виды бензиновых двигателей

В рекламных проспектах на новые модели автомобилей указывается много разных данных. Среди них описывается тип силового агрегата. Если в первых автомобилях достаточно было указать тип используемого топлива (дизель или бензин), то на сегодняшний день одних бензиновых модификаций существует большое разнообразие.

Вот несколько категорий, по которым классифицируются такие силовые агрегаты:

1. Число цилиндров. В классическом исполнении машина оснащается мотором с четырьмя цилиндрами. Более производительные, а вместе с тем и более прожорливые, имеют 6, 8 или даже 18 цилиндров. Однако существуют и агрегаты с небольшим количеством котелков. Например, Toyota Aygo оснащается 1.0-литровым бензиновым ДВС на 3 цилиндра. Подобный агрегат получил и Peugeot 107. Некоторые малолитражки могут оснащаться даже двухцилиндровым бензиновым агрегатом.
2. Строение блока цилиндров. В классическом исполнении (4-цилиндровая модификация) мотор имеет рядное расположение цилиндров. В основном они установлены вертикально, но иногда встречаются и наклоненные аналоги. Следующая конструкция, завоевавшая доверие у многих автомобилистов, это агрегат с V-образным расположением цилиндров. В такой модификации всегда парное количество котелков, которые расположены под определенным углом друг относительно друга. Часто такую конструкцию используют для экономии места в подкапотном пространстве, особенно если это габаритный мотор (например, насчитывает 8 цилиндров, но места занимает, как 4-цилиндровый аналог). Некоторые производители устанавливают в свои автомобили W-образный силовой агрегат. Эта модификация отличается от V-образного аналога дополнительным развалом блока цилиндров, который в разрезе имеет форму буквы W. Еще одна разновидность моторов, которые используются в современных автомобилях, это оппозитник или боксер. Подробно о том, как устроен такой движок и как он работает, рассказывается в другом обзоре. Пример моделей с подобным агрегатом – Subaru Forester, Subaru WRX, Porsche Cayman и т.д.
3. Система подачи топлива. По этому критерию моторы делятся на две категории: карбюраторные и инжекторные. В первом случае бензин закачивается в топливную камеру механизма, из которой через жиклер всасывается во впускной коллектор. Инжектор это система, которая принудительным образом распыляет бензин в полость, в которой установлена форсунка. Подробно работа этого устройства описывается здесь. Инжекторы бывают нескольких видов, которые отличаются особенностями расположения форсунок. В более дорогих автомобилях распылители устанавливаются непосредственно в головке блока цилиндров.
4. Вид смазочной системы. Каждый ДВС работает в условиях повышенных нагрузок, из-за чего он нуждается в качественной смазке. Существует модификация с мокрым (классический вид, в котором масло находится в поддоне) или сухим (для хранения масла установлен отдельный резервуар) картером. Подробно об этих разновидностях рассказывается отдельно.
5. Тип охлаждения. Большинство современных моторов для автомобилей имеет водяное охлаждение. В классическом исполнении такая система будет состоять из радиатора, патрубков и охлаждающей рубашки вокруг блока цилиндров. Действие этой системы описано здесь. Некоторые модификации силовых агрегатов, работающих на бензине, могут иметь и воздушное охлаждение.
6. Тип циклов. Всего существует две модификации: двухтактного или четырехтактного типа. Принцип действия двухтактной модификации описан в другой статье. Немного позже рассмотрим, как работает 4-тактная модель.
7. Тип поступления воздуха. Во впускной тракт воздух для приготовления воздушно-топливной смеси может поступать двумя способами. Большинство классических моделей ДВС имеют атмосферный тип впускной системы. В нем воздух поступает за счет разрежения, которое создает поршень, двигаясь к нижней мертвой точке. В зависимости от системы впрыска в этот поток распыляется порция бензина либо перед впускным клапаном, либо немного раньше, но в тракте, соответствующем конкретному цилиндру. В моновпрыске подобно карбюраторной модификации на впускном коллекторе устанавливается одна форсунка, а ВТС затем всасывается конкретным цилиндром. Подробно о работе системы впуска рассказывается здесь. В более дорогих агрегатах бензин может распыляться непосредственно в самом цилиндре. Помимо атмосферного мотора существует также турбированная версия. В ней воздух для приготовления ВТС нагнетается при помощи специальной турбины. Она может работать за счет движения выхлопных газов или при помощи электрического мотора.

Что касается особенностей конструкции, то история знает несколько экзотических силовых агрегатов. Среди них двигатель Ванкеля и бесклапанная модель. Подробно о нескольких рабочих моделях моторов с необычной конструкцией рассказывается здесь.

Принцип работы бензинового двигателя

Подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания, которые используются в современных автомобилях, работают по четырехтактному циклу. Он основан на том же принципе, что и любой другой ДВС. Чтобы агрегат смог сгенерировать количество энергии, необходимое для вращения колес, каждый цилиндр должен циклично заполняться смесью воздуха и бензина. Эта порция должна сжиматься, после чего она воспламеняется при помощи искры, которую генерирует свеча зажигания.

Чтобы высвобождающаяся при сгорании энергия преобразовывалась в механическую энергиию, ВТС должна сжигаться в замкнутом пространстве. Основной элемент, который снимает высвободившуюся энергию, это поршень. Он подвижный в цилиндре, и закреплен на кривошипно-шатунном механизме коленчатого вала.

Когда воздушно-топливная смесь загорается, она провоцирует расширение газов в цилиндре. За счет этого на поршень оказывается большое давление, превышающее атмосферное, и он начинает движение к нижней мертвой точке, проворачивая коленвал. На этом валу закреплен маховик, к которому подсоединяется коробка передач. От нее крутящий момент передается на ведущие колеса (передние, задние или в случае полноприводного авто – все 4).

За один цикл мотора в отдельном цилиндре выполняется 4 такта. Вот в чем заключается их действие.

Впуск

В начале этого такта поршень находится в верхней мертвой точке (камера над ним в этот момент пустая). За счет работы соседних цилиндров коленвал проворачивается и тянет шатун, который перемещает поршень вниз. В этот момент газораспределительный механизм открывает впускной клапан (их может быть один или два).

Через открытое отверстие цилиндр начинает заполняться свежей порцией воздушно-топливной смеси. В этом случае воздух смешивается с бензином во впускном тракте (карбюраторный мотор или модель с распределенным впрыском). Эта часть двигателя может иметь разную конструкцию. Также существуют варианты, которые меняют свою геометрию, что позволяет повышать КПД двигателя на разных оборотах. Подробно об этой системе рассказывается здесь.

В модификациях с непосредственным впрыском в цилиндр на такте впуска поступает только воздух. Бензин распыляется, когда в цилиндре будет завершаться такт сжатия.

Когда поршень окажется в самом низу цилиндра, газораспределительный механизм закрывает впускной клапан. Начинается следующий такт.

Сжатие

Далее коленчатый вал проворачивается (так же под действием поршней, работающих в соседних цилиндрах), и через шатун начинает поднимать поршень. Все клапаны в головке блока цилиндров закрыты. Топливной смеси некуда деваться, и она сжимается.

В процессе движения поршня к ВМТ воздушно-топливная смесь нагревается (повышение температуры провоцирует сильное сжатие, которое также называется компрессией). Сила сжатия порции ВТС влияет на динамические характеристики. У разных моторов компрессия может отличаться. Дополнительно предлагаем ознакомиться с тем, в чем отличие степени сжатия и компрессии.

Когда поршень достигает крайней точки вверху, свеча создает разряд, из-за которого топливная смесь загорается. В зависимости от оборотов двигателя этот процесс может начинаться раньше, чем поршень полностью поднимется, непосредственно в этот момент или немного позже.

В бензиновом моторе с непосредственным впрыском сжимается только воздух. В этом случае топливо распыляется в цилиндр перед тем, как поршень поднимется. После этого создается разряд и бензин начинает сгорать. Далее начинается третий такт.

Рабочий ход

Когда ВТС зажигается, в надпоршневом пространстве происходит расширение продуктов горения. В этот момент помимо силы инерции на поршень начинает действовать давление расширяющихся газов, и он снова движется вниз. В отличие от такта впуска механическая энергия передается уже не от коленвала к поршню, а наоборот – поршень толкает шатун и благодаря этому проворачивает коленчатый вал.

Часть этой энергии используется для выполнения других тактов в соседних цилиндрах. Остальная часть крутящего момента снимается коробкой передач и передает его на ведущие колеса.

Во время выполнения такта рабочего хода все клапаны закрыты, чтобы расширяющиеся газы воздействовали исключительно на поршень. Этот такт заканчивается, когда движущийся в цилиндре элемент дойдет до нижней мертвой точки. Далее начинается последний такт цикла.

Выпуск

За счет проворачивания коленвала поршень снова перемещается вверх. В этот момент открывается выпускной клапан (один или два в зависимости от типа ГРМ). Отработанные газы нужно удалить.

По мере перемещения поршня кверху выхлопные газы выдавливаются в выпускной тракт. Дополнительно о его функции рассказывается здесь. Такт завершается при верхнем положении поршня. На этом цикл мотора завершается, и начинается новый с такта впуска.

Не всегда завершение такта сопровождается полным закрытием конкретного клапана. Бывает так, что впускные и выпускные клапаны некоторое время остаются открытыми. Это необходимо для повышения эффективности проветривания и наполнения цилиндров.

Итак, прямолинейное движение поршня за счет особенности конструкции коленчатого вала преобразуется во вращение. На этом принципе основаны все классические поршневые моторы.

Если дизельный агрегат работает только от дизтоплива, то бензиновый вариант может работать не только от бензина, но и от газа (пропан-бутан). Подробней о том, как будет работать такая установка, рассказано здесь.

Основные элементы бензинового двигателя

Чтобы все такты в двигателе выполнялись своевременно и с максимальной отдачей, силовой агрегат должен состоять только из качественных деталей. В устройство всех поршневых ДВС входят следующие детали.

Блок цилиндров

По сути, это корпус бензинового мотора, в котором сделаны каналы охлаждающей рубашки, места для крепления шпилек и сами цилиндры. Существуют модификации с отдельно устанавливаемыми цилиндрами.

В основном эту деталь изготавливают из чугуна, но ради экономии веса некоторых моделей авто производители могут изготавливать алюминиевые блоки. По сравнению с классическим аналогом они более хрупкие.

Поршень

Эта деталь, входящая в состав цилиндропоршневой группы, принимает на себя воздействие расширяющихся газов и обеспечивает нажим на кривошип коленчатого вала. Когда выполняется такт впуска, сжатия и выпуска, эта деталь создает разрежение в цилиндре, сжимает смесь бензина и воздуха, а также удаляет из полости продукты горения.

Строение, разновидности и принцип действия этого элемента подробно описаны в другом обзоре. Если коротко, то со стороны клапанов он может быть ровным или с выемками. С внешней стороны он соединяется при помощи стального пальца к шатуну.

Чтобы при толчке выхлопных газов при выполнении рабочего хода они не просачивались в подпоршневое пространство, эта деталь оснащается несколькими уплотнительными кольцами. Об их функции и конструкции есть отдельная статья.

Шатун

Эта деталь соединяет поршень с кривошипом коленвала. Конструкция этого элемента зависит от типа двигателя. Например, у V-образного мотора два шатуна каждой пары цилиндров закреплены на одной шатунной шейке коленвала.

В основном для изготовления этой детали используется высокопрочная сталь, но иногда встречаются и алюминиевые аналоги.

Коленчатый вал

Это вал, который состоит из кривошипов. К ним подсоединяются шатуны. У коленвала есть минимум два коренных подшипника и противовесы, которые компенсируют вибрации для равномерного вращения оси вала и гашения силы инерции. Более подробно об устройстве данной детали рассказывается отдельно.

С одной стороны на нем установлен шкив привода ГРМ. С противоположной стороны к коленвалу прикреплен маховик. Благодаря этому элементу возможен запуск мотора при помощи стартера.

Клапаны

В верхней части двигателя в головке блока цилиндров устанавливаются клапаны. Эти элементы обеспечивают открывание/закрывание впускных и выпускных отверстий для выполнения нужного такта.

В большинстве случаев эти детали подпружинены. Они приводятся в движение распределительным валом ГРМ. Этот вал при помощи ременной или цепной передачи синхронизирован с коленчатым валом.

Свеча зажигания

Многим автомобилистам известно, что дизельный мотор работает за счет нагрева сжатого в цилиндре воздуха. Когда в эту среду впрыскивается солярка, воздушно-топливная смесь тут же воспламеняется от температуры воздуха. С бензиновым агрегатом дело обстоит иначе. Чтобы смесь загорелась, ей необходима электрическая искра.

Если в бензиновом ДВС повысить компрессию до значения, приближенного к аналогичному показателю в дизеле, то, имея более высокое октановое число, бензин при сильном нагреве может загореться раньше, чем необходимо. Это приведет к поломке агрегата.

Свеча работает от системы зажигания. В зависимости от модели автомобиля эта система может иметь разное устройство. Подробно о разновидностях рассказывается здесь.

Вспомогательные рабочие системы бензинового двигателя

Ни один двигатель внутреннего сгорания не способен работать самостоятельно без вспомогательных систем. Чтобы мотор машины вообще завелся, он должен синхронизироваться с такими системами:

1. Топливная. Она обеспечивает подачу бензина по магистрали к форсункам (если это инжекторный агрегат) или в карбюратор. Эта система участвует в приготовлении ВТС. В современных машинах состав воздушно-топливной смеси регулируется электроникой.
2. Зажигание. Это электрическая часть, снабжающая мотор стабильной искрой для каждого цилиндра. Существует три основных типа этих систем: контактного, бесконтактного и микропроцессорного типа. Все они определяют момент, когда нужна искра, генерируют высокое напряжение и распределяют подачу импульса на соответствующую свечу. Ни одна из этих систем не будет работать, если неисправен датчик положения коленвала.
3. Смазывающая и охлаждающая. Чтобы детали мотора выдерживали большие нагрузки (постоянная механическая нагрузка и воздействие очень высоких температур, в некоторых отделах она поднимается до более 1000 градусов), им нужна качественная и постоянная смазка, а также охлаждение. Это две разные системы, но смазка в моторе тоже позволяет в некоторой степени отводить тепло от сильно нагретых деталей, например, от поршней.
4. Выхлопная. Чтобы машина с работающим мотором не пугала окружающих оглушительным звуком, она получает качественную выхлопную систему. Помимо тихой работы машины эта система обеспечивает нейтрализацию вредных веществ, содержащихся в выхлопе (для этого в машине должен присутствовать каталитический нейтрализатор).
5. Газораспределительная. Это часть мотора (ГРМ находится в головке блока цилиндров). Распределительный вал поочередно открывает впускные/выпускные клапаны, благодаря чему цилиндры вовремя выполняют соответствующий такт.

Это основные системы, благодаря которым агрегат может работать. Помимо них силовой агрегат может получить и другие механизмы, повышающие его эффективность. Примером тому служит фазовращатель. Этот механизм позволяет снимать максимум КПД на любых оборотах мотора. Он регулирует высоту и время открытия клапанов, что влияет на динамичность машины. Подробно принцип работы и разновидности таких механизмов рассматриваются отдельно.

Как сохранить работоспособность бензинового двигателя при многолетней эксплуатации?

Каждый автовладелец задумывается над тем, как продлить рабочий ресурс силового агрегата своего авто. Прежде чем рассмотрим, что он может сделать для этого, стоит учесть самый важный фактор, влияющий на исправность мотора. Это качество сборки и технология, которой пользуется автопроизводитель, изготавливая тот или иной силовой агрегат.

Вот основные действия, которые должен выполнять каждый автомобилист:

• Проводить ТО своего автомобиля в соответствии с регламентом, который установил производитель;
• Заливать в бак только качественный бензин, и соответствующий типу мотора;
• Использовать моторное масло, предназначенное для конкретного ДВС;
• Не использовать агрессивный стиль вождения, часто доводя мотор до максимальных оборотов;
• Проводить профилактику поломок, например, регулировку клапанных зазоров. Один из самых важных элементов мотора является его ремень. Даже если визуально кажется, что он еще в хорошем состоянии, необходимо все равно его заменить, как только настанет для этого время, указанное производителем. Подробно об этом элементе рассказывается отдельно.

Так как мотор является одним из самых ключевых агрегатов авто, каждый автомобилист должен прислушиваться к его работе и быть внимательным даже к незначительным изменениям в его функционировании. Вот что может указать на неисправности силового агрегата:

• В процессе работы появились посторонние звуки или усилились вибрации;
• ДВС потерял динамичность и отдачу на нажатие педали газа;
• Повышение прожорливости (большой расход бензина может быть связан с необходимостью прогревать мотор зимой или при смене стиля езды);
• Уровень масла стабильно понижается, и смазку нужно постоянно доливать;
• Охлаждающая жидкость стала куда-то деваться, но под машиной нет луж, а бачок при этом плотно закрыт;
• Синий дым из выхлопной трубы;
• Плавающие обороты – сами поднимаются и падают или водителю нужно постоянно подгазовывать, чтобы мотор не заглох (в этом случае может быть неисправна система зажигания);
• Плохо запускается или вообще не хочет заводиться.

У каждого мотора свои тонкости работы, поэтому автомобилисту нужно ознакомиться со всеми нюансами работы и обслуживания агрегата. Если некоторые детали или даже механизмы в машине автомобилист может заменить/отремонтировать самостоятельно, ремонт агрегата лучше доверить специалисту.

Дополнительно предлагаем прочитать о том, что сокращает работу бензинового двигателя.

Преимущества и недостатки универсальных бензиновых двигателей

Если сравнивать дизельный агрегат и бензиновый, то к достоинствам второго относятся:

1. Высокая динамичность;
2. Стабильная работа при низких температурах;
3. Нешумная работа с небольшими вибрациями (если агрегат правильно настроен);
4. Относительно недорогое обслуживание (если не идет речь об эксклюзивных моторах, например, боксерах или с системой EcoBoost);
5. Большой рабочий ресурс;
6. Нет необходимости использовать сезонное топливо;
7. Более чистый выхлоп за счет меньшего содержания примесей в бензине;
8. При одинаковых с дизелем объемах у данного типа ДВС больше мощности.

Учитывая высокую динамичность и мощность бензиновых агрегатов, большинство спортивных автомобилей оснащаются именно такими силовыми установками.

Что касается обслуживания, то у данных модификаций тоже есть свое преимущество. Расходники на них стоят дешевле, а само ТО не нужно проводить так часто. Причина в том, что детали бензомотора подвергаются меньшей нагрузке, чем аналоги, используемые в дизелях.

Хотя водитель должен быть внимателен к тому, на какой заправке он заправляет свой автомобиль, бензиновый вариант не такой требовательный к качеству топлива по сравнению с дизелем. В худшем случае, что может произойти, это быстро засорятся форсунки.

Несмотря на эти достоинства, у данных моторов есть некоторые минусы, из-за чего много автолюбителей отдают предпочтение дизелю. Вот некоторые из них:

1. Несмотря на преимущество в мощности, у агрегата с идентичным объемом будет меньший крутящий момент. Для грузового коммерческого транспорта это важный параметр.
2. Дизель с аналогичным литражом будет расходовать меньше топлива, чем данный вид агрегата.
3. Что касается температурного режима, то в пробках бензиновый агрегат может перегреться.
4. Бензин легче загорается от посторонних источников тепла. Поэтому машина с таким двс более пожароопасная.

Чтобы легче было выбрать, с каким агрегатом должна быть машина, будущий автовладелец должен вначале определиться с тем, что он хочет от своего железного коня. Если упор делается на выносливость, большой крутящий момент и экономность, то явно нужно выбирать дизель. Но ради динамичной езды и более дешевого обслуживания стоит обратить внимание на бензиновый аналог. Конечно, параметр бюджетного обслуживания это понятие растяжимое, потому что это напрямую зависит от класса мотора и тех систем, которые в нем используются.

В завершение обзора предлагаем посмотреть небольшое видеосравнение бензиновых и дизельных моторов:

БЕНЗИН ИЛИ ДИЗЕЛЬ? НАГЛЯДНО СРАВНИВАЕМ ДВА ТИПА ДВИГАТЕЛЕЙ.

Вопросы и ответы:

Как работает бензиновый двигатель? Топливный насос подает бензин в карбюратор или на форсунки. В конце такта сжатия бензина и воздуха свеча зажигания образует разряд искры, которая воспламеняет ВТС, в результате чего расширяющиеся газы выталкивают поршень.

Как работает четырехтактный двигатель? В таком моторе имеется газораспределительный механизм (над цилиндрами располагается головка с распредвалом, который открывает/закрывает впускные и выпускные клапаны – через них подается ВТС и удаляются отработавшие газы).

Как работает двухтактный двигатель? В таком двигателе нет газораспределительного механизма. За один оборот коленвала выполняется два такта: сжатие и рабочий ход. Наполнение цилиндра и удаление отработавших газов происходит одновременно.